工程熱力學(xué)基礎(chǔ)理論水蒸汽傳熱學(xué)

1、第二章工程熱力學(xué)基礎(chǔ)理論目前已為人們發(fā)現(xiàn)的自然界中可被利用的能源中，除風(fēng)能和水能是以機(jī)械能的形式提供給人們外，其余各種能源往往直接以熱能的形式，或通過相應(yīng)的設(shè)備進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換將它們轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芴峁┙o人們。熱能利用方式，一為直接利用，即將熱能直接用來加熱物體，如烘干、蒸煮、采暖、熔化等。另一為間接利用，即將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能或電能加以利用，如熱力發(fā)電廠。工程熱力學(xué)主要研究熱能與機(jī)械能轉(zhuǎn)換的客觀規(guī)律，即熱力學(xué)的基本定律，分析工程上借以實(shí)現(xiàn)熱能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換過程的媒介物質(zhì)（如水和蒸汽）的基本熱力性質(zhì)，以及應(yīng)用熱力學(xué)基本定律分析計(jì)算工作物質(zhì)在熱力設(shè)備中所經(jīng)歷的變化過程。第一節(jié)工質(zhì)及狀態(tài)參數(shù)一、工質(zhì)和熱機(jī)能

2、實(shí)現(xiàn)熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的設(shè)備，稱為熱機(jī)，如內(nèi)燃機(jī)、蒸汽機(jī)和汽輪機(jī)等均為熱機(jī)。在熱機(jī)里要使熱能不斷地轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，必須借助于一種工作物質(zhì)，工作物質(zhì)經(jīng)過吸熱、膨脹而完成作功，如汽輪機(jī)和蒸汽機(jī)的工作需要蒸汽；內(nèi)燃機(jī)的工作需要燃?xì)?。這種實(shí)現(xiàn)熱能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的工作物質(zhì)叫做工質(zhì)。由于工質(zhì)在熱力設(shè)備中要連續(xù)不斷地流動(dòng)并膨脹作功，因此，工質(zhì)應(yīng)有良好的流動(dòng)性與膨脹性。同時(shí)，工質(zhì)還要價(jià)廉、易得、熱力性能穩(wěn)定、不腐蝕設(shè)備、無毒等。在物質(zhì)的三態(tài)中，氣態(tài)物質(zhì)受熱膨脹的能力最大，流動(dòng)性也最好，顯然，氣態(tài)物質(zhì)最適宜作工質(zhì)。而水蒸汽具有價(jià)廉易得，無毒，不腐蝕設(shè)備等高溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩磧?yōu)點(diǎn)，所以火力發(fā)電廠主要以水蒸汽為工質(zhì)。熱能

3、動(dòng)力裝置的工作過程，概括起來就是工質(zhì)從高溫?zé)嵩次崮?，將其中一部分轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，并把余下的一部分傳給低溫?zé)嵩吹倪^程，如圖2-1所示。在工程熱力學(xué)中，高溫?zé)嵩淳褪侵改懿粩嗟毓┙o熱能的物體，簡(jiǎn)稱熱源。低溫?zé)嵩粗附邮芄べ|(zhì)排出剩余熱能的物體，簡(jiǎn)稱冷源二、狀態(tài)參數(shù)用來描述和說明工質(zhì)狀態(tài)的一些物理量（如壓力、溫度等）則稱為工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)。狀態(tài)參數(shù)值只取決于工質(zhì)的狀態(tài)，因而，任何物理量，只要它的變化量等于初始、終止兩態(tài)下該物理量的差值，而與工質(zhì)的狀態(tài)圖2-1變化途徑無關(guān)，都可以作為狀態(tài)參數(shù)。熱力學(xué)中采用的狀態(tài)參數(shù)有：溫度，壓力，比容、內(nèi)能、焓、熵等。（一）溫度溫度是標(biāo)志物體冷熱程度的一個(gè)物理量。當(dāng)兩個(gè)不同

4、溫度的物體接觸時(shí)，高溫物體就要向低溫物體傳熱，兩物體溫度相等后，即處于熱平衡狀態(tài)。處于熱平衡的物體具有相同的溫度，這是用溫度計(jì)測(cè)量物體溫度的依據(jù)。被測(cè)物體達(dá)到熱平衡時(shí)，溫度計(jì)的溫度即等于被測(cè)物體的溫度。溫度的數(shù)值表示方法稱為溫標(biāo)。舊的攝氏溫標(biāo)規(guī)定在760mm汞柱氣壓下純水的冰點(diǎn)溫度為0度，沸點(diǎn)的溫度為100度，兩定點(diǎn)間分為100個(gè)分度，每一分度叫做攝氏一度。國(guó)際單位制采用熱力學(xué)溫標(biāo)為基本溫標(biāo)。熱力學(xué)溫標(biāo)采用水的三相點(diǎn)（即水的固、液、氣三相平衡共存的狀態(tài)）為基本定點(diǎn)，并定義它的溫度為273.16K。用該溫標(biāo)確定的溫度稱為熱力學(xué)溫度，符號(hào)為“T”，單位為“開爾文”，中文代號(hào)“開”，國(guó)際代號(hào)“K”。

5、與熱力學(xué)溫標(biāo)并用的還有熱力學(xué)攝氏溫標(biāo)，簡(jiǎn)稱攝氏溫標(biāo)。它所確定的溫度稱為攝氏溫度，用“t”表示，單位為“攝氏度代號(hào)。C。這種攝氏溫標(biāo)與舊的攝氏溫標(biāo)不同，它是由熱力學(xué)溫標(biāo)導(dǎo)出的。攝氏溫度按以下定義式確定：t=T-273.15（2-1）這就是說，規(guī)定熱力學(xué)溫度273.15K為攝氏溫度的零度。二）壓力單位面積上所受到的垂直作用力稱為壓力。以符號(hào)P表示。氣體的壓力是氣體分子作不規(guī)則運(yùn)動(dòng)時(shí)撞擊容器壁面的結(jié)果。絕對(duì)壓力是指工質(zhì)的真實(shí)壓力，以P表示。絕對(duì)壓力大于大氣壓力時(shí)，超出大氣壓力之值，即表計(jì)所測(cè)出的壓力稱為表壓力，以P表示。有：P=Pb+Pgambg當(dāng)容器內(nèi)的絕對(duì)壓力低于大氣壓力時(shí)，例如凝汽器內(nèi)、鍋爐爐

6、膛內(nèi)，測(cè)壓儀表指示的讀數(shù)習(xí)慣上稱為負(fù)壓或真空，以p表示，貝y：p=p-pvambv顯然，真空愈高，說明被測(cè)流體的絕對(duì)壓力愈低。通常稱測(cè)量真空的儀表為真空計(jì)。（a）ppamb圖2-2絕對(duì)壓力、表壓力、p(b)po，貝臨qo,工質(zhì)從外界吸熱：dsvo,貝臨qvo,工質(zhì)向外界放熱；ds=o，貝臨q=o,工質(zhì)不與外界交換熱量，為絕熱。所以，根據(jù)工質(zhì)的熵有無增減，可以判斷工質(zhì)在可逆過程中是吸熱、放熱、還是絕熱。即如果工質(zhì)的熵增加，工質(zhì)吸熱，如果熵減少，工質(zhì)放熱；如果熵不變，則為絕熱過程。（三）氣體的比熱容1比熱容的定義及單位物體溫度升高（或降低）1C（或1K）所需的熱量，稱為該物體的熱容量。單位為kJ/

7、Ko單位物量的物質(zhì)溫度升高（或降低）1C（或1K）,所加入（或放出）的熱量稱為該物體的比熱容,簡(jiǎn)稱比熱。其定義式為6qc=（211）dt熱量的單位采用J或kJ。物量則根據(jù)需要可采用不同計(jì)量單位。按照物量計(jì)量單位的不同，比熱可分為三類：質(zhì)量比熱容：以質(zhì)量kg作為計(jì)量物量的單位所得的比熱容，簡(jiǎn)稱比熱容，用符號(hào)c表示，其單位為kJ/（kgK）。容積比熱容：以標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下1m3氣體的容積作為計(jì)量物量的單位所得的比熱容，簡(jiǎn)稱容積熱容，用符號(hào)cv表示，其單位為kJ/（m3K）。cC=mMMcc=v22.4千摩爾比熱容：以摩爾（或千摩爾）作為計(jì)量物量的單位所得的比熱容，簡(jiǎn)稱摩爾熱容，用符號(hào)cm表示，單位為J/

8、（mo卜K）或kJ/（kmo卜K）三者之間的換算關(guān)系為：（M為摩爾質(zhì)量）212)213)氣體比熱容不僅與氣體性質(zhì)有關(guān)，還與氣體所經(jīng)歷的過程和溫度有關(guān)。2影響比熱容的因素單位物量的氣體在壓力不變的條件下溫度變化1C所需的熱量稱為定壓比熱容。按所取的物量單位不同，可以有定壓質(zhì)量比熱容c，定壓容積比熱容c，和定壓千摩爾比熱容c。ppvpm單位物量的氣體在容積不變的條件下溫度變化1C所需的熱量稱為定容比熱容。按物量單位的不同相應(yīng)有定容質(zhì)量比熱容c,定容容積比熱容c和定容千摩爾比熱容c。vvvvm在一定的溫度下，同一種氣體的c與c的值彼此并不相同，定壓比熱值較定容比熱容pv值大。即：cc。pv3利用比熱

9、容計(jì)算熱量的方法為了簡(jiǎn)便，常使用氣體的定值比熱和平均比熱來計(jì)算它所吸收或放出的熱量。用定值比熱計(jì)算熱量：當(dāng)溫度在150C以下，可忽略溫度對(duì)比熱的影響。這種不考慮溫度影響的比熱稱定值比熱容，簡(jiǎn)稱定比熱容。根據(jù)分子運(yùn)動(dòng)論，原子數(shù)相同的氣體的定值千摩爾比熱都相同，其值如表2-1所列。實(shí)驗(yàn)證明，表2-1的數(shù)據(jù)僅是低溫范圍內(nèi)的近似值。表2-1氣體的定值千摩爾比熱容值原子數(shù)定容干摩爾比熱容McVkJ/（kmo卜K）定壓千摩爾比熱容McpkJ/（kmo卜K）單原子氣體3X4.18685X4.1868雙原子氣體5X4.18687X4.1868多原子氣體6X4.18688X4.1868已知定值比熱容所需的熱量為

10、：qcdt=dt=c(t2-1)燈企(2-14)表2-2氣體平均定壓質(zhì)量比熱容單位：kJ/(kgK)對(duì)mkg質(zhì)量氣體，所需熱量為：Q=mc(t一t)kJ212-15)用平均比熱計(jì)算熱量：在實(shí)際熱力工程中，氣體往往處于很高的溫度范圍，例如鍋爐中的煙氣，計(jì)算時(shí)就不能忽略溫度對(duì)比熱的影響。從圖2-9就可看出，溫度很高時(shí)，比熱隨溫度的變化顯著，任何一個(gè)溫度都對(duì)應(yīng)有一個(gè)比熱值。在實(shí)際計(jì)算中，不可能也不需要將每一溫度下氣體的真實(shí)比熱都算出來。所以，工程上采用了平均比熱容的概念來簡(jiǎn)化熱工計(jì)算。平均比熱是指在一定的溫度范圍內(nèi)，單位數(shù)量氣體所吸收或放出的熱量與溫度差的比值。用符號(hào)C2，表示。即:mt1mt一tt

11、121由此，單位量氣體吸收或放出的熱量為：圖2-9比熱容與溫度的關(guān)系q=C(t2-t1)m21t12-16)對(duì)于mkg質(zhì)量氣體，Q=m(C2t2-C1t1)m2m1t0t02-17)表2-2和表2-3分別列由各種氣體從0C至到1200r范圍內(nèi)的平均定壓質(zhì)量比熱容和平均定壓容積比熱容的數(shù)據(jù)。j、氣體溫度C02N2COCO2H2OSO2空氣00.9151.0391.0400.8151.8590.6071.0041000.9231.0401.0420.8661.8730.6361.0062000.9351.0431.0460.9101.8940.6621.0123000.9501.0491.0540

12、.9491.9190.6871.0194000.9651.0571.0630.9831.9840.7081.0285000.9791.0661.0751.0131.9870.7241.0396000.9931.0761.0861.0402.0090.7371.0507001.0051.0871.0981.0642.0420.7541.0618001.0161.0971.1091.0852.0750.7621.0719001.0261.1081.1201.1042.1100.7751.08110001.0351.1181.1301.1222.1440.7831.09111001.0431.127

13、1.1401.1382.1770.7911.10012001.0511.1361.1491.1532.2110.7951.108表2-3氣體平均定壓容積比熱容單位：kJ/(m3K)lx氣體溫度C、xO2N2COCO2H2OSO2空氣01.3061.2991.2991.6001.4941.7331.2971001.3181.3001.3021.7001.5051.8131.3002001.3351.3041.3071.7871.5221.8881.3073001.3561.3111.3171.8631.5421.9551.3174001.3771.3211.3291.9301.5652.0181

14、.3295001.3981.3321.3431.9891.5902.0681.3436001.4171.3451.3432.0411.6152.1141.3577001.4341.3591.3722.0881.6412.1521.3718001.4501.3721.3862.1311.6682.1811.3849001.4651.3851.4002.1691.6962.2151.39810001.4781.3971.4132.2041.7232.2361.41011001.4891.4091.4252.2351.7502.2611.42112001.5011.4201.4362.2641.77

15、72.2781.433例題2-4求在定壓下加熱20kg二氧化碳?xì)怏w由=400C到t2=1000C所需要的熱量。解根據(jù)已知條件，從表2-2中查得二氧化碳?xì)怏w的平均定壓質(zhì)量比熱容為：C4000.983kJ/(kgK)mp0C=1.122kJ/(kgK)mp0所需要的熱量為：Q=m(CtCt1)=20(CX1000-C0X400)=14576kJmmmpmpt0t000第三節(jié)熱力學(xué)第一定律一、熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)熱力學(xué)第一定律（也稱為當(dāng)量定律）是能量守恒與轉(zhuǎn)換定律在研究熱能轉(zhuǎn)換時(shí)的具體體現(xiàn)?！盁峥梢宰?yōu)楣Γσ部梢宰優(yōu)闊?，一定量的熱消失時(shí)，必產(chǎn)生與之?dāng)?shù)量相當(dāng)?shù)墓?，消耗一定量的功時(shí)，必出現(xiàn)與之對(duì)應(yīng)的一

16、定量的熱”。熱能和機(jī)械能之間的當(dāng)量關(guān)系：Q=AWA熱功當(dāng)量，熱和功采用不同的能量單位時(shí)應(yīng)具有的轉(zhuǎn)換系數(shù)，稱為熱功當(dāng)量國(guó)際單位制中，熱與功采用相同的單位，即：Q=W功的單位用公斤力米，熱用千卡，貝可近似取A=1/427kcal/（kgfm）工程上常用kWh（千瓦時(shí)）為功的單位。這時(shí)功熱的換算關(guān)系為1kWh=1kJ/sX3600s=3600kJ例題2-5巳知某電廠的容量為50000kW。鍋爐的燃料消耗量為24t/h。煤的發(fā)熱量為25000kJ/kg。試求該電廠將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿目傂?。即發(fā)電廠效率n為多少？解該廠每小時(shí)燒煤發(fā)出的熱量為：24Xl000X25000=600Xl06kJ/h每小時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

17、電能的熱量為：50000X3600=180X106kJ/h每小時(shí)轉(zhuǎn)換為功的熱量=180 xl06=03=30%每小時(shí)燃料發(fā)出的熱量600 x106二、熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式12Wq圖2-10閉口熱力系熱力學(xué)第一定律是熱力學(xué)的基本定律。它適用于一切熱力過程。對(duì)于任何系統(tǒng)，各項(xiàng)能量之間的平衡關(guān)系可一般表示為：系統(tǒng)中原有的能量+進(jìn)入系統(tǒng)的能量-離開系統(tǒng)的能量=系統(tǒng)最終剩余的能量。如圖210所示以閉口系統(tǒng)為例，設(shè)有一活塞的氣缸，內(nèi)有1kg氣體。開始時(shí)系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)1,工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)為pV、耳及竹。在熱力過程中系統(tǒng)從外界吸熱q,氣體膨脹推動(dòng)活塞對(duì)外界作膨脹功w。過程終了時(shí)到達(dá)平衡狀態(tài)2,狀態(tài)參數(shù)為

18、p2、v2、T2及佇能量平衡關(guān)系應(yīng)當(dāng)表現(xiàn)為：u1（系統(tǒng)原有的能量）十q（進(jìn)入系統(tǒng)的能量）一w（離開系統(tǒng)的能量）=u2（系統(tǒng)最終剩余的能量）即:q=u2-u1+w=Lu+w（2-18）對(duì)微元過程，貝5q=du+5w2-19)5q=du+5w2-19)00此式稱為熱力學(xué)第一定律解析式，上述公式中的q、u及w都是代數(shù)值。上述方程式是根據(jù)能量守恒原理直接導(dǎo)出的，除要求工質(zhì)的初態(tài)和終態(tài)是平衡狀態(tài)外其它再無任何假定和限制條件。所以它不受過程性質(zhì)（可逆或不可逆）和工質(zhì)性質(zhì)（理想氣體、實(shí)際氣體）的限制，是普遍適用的。對(duì)于mkg質(zhì)量而言，可相應(yīng)地得出：Q=AU+W（2-20）若工質(zhì)經(jīng)歷的是可逆過程熱力學(xué)第一定律

19、解析式可寫成：q=Au+fpdv（2-21）12-22)Q=AU+fpdV1例題2-6容器中裝有一定質(zhì)量的熱水。熱水向周圍大氣放出熱量1OkJ，同時(shí)功源通過攪拌器對(duì)熱水作功15kJ。試問熱水內(nèi)能的變化量為多少kJ?解取熱水為閉口系統(tǒng)，由式（2-20）得U=Q_W系統(tǒng)放熱Q=-10kJ。外界對(duì)系統(tǒng)作功，功量亦為負(fù)值，W=-15kJ。U=-10+15=5kJ熱水內(nèi)能增加5kJ。從這個(gè)簡(jiǎn)單的例子可以看出，判斷系統(tǒng)內(nèi)能的變化，不應(yīng)只看系統(tǒng)與外界的熱交換，或系統(tǒng)與外界的功交換，而應(yīng)看兩者的綜合結(jié)果。例題2-7對(duì)定量的某種氣體加熱lOOkJ,使之由狀態(tài)1沿途徑。變至狀態(tài)2,同時(shí)對(duì)外作功60kJ。若外界對(duì)該

20、氣體作功40kJ,迫使它從狀態(tài)2沿途徑b返回至狀態(tài)1，如pv圖所示。問返回過程中工質(zhì)需吸熱還是向外放熱?其熱量是多少?解按題意Q,2=100kJ；W2=60kJ。1-a-21-a-2該氣體在過程中內(nèi)能變化量為：Ul-a-2=U2-U1=Q1-a-2-Wl-a-2=l00-60=40kJ對(duì)2-b-1過程：W2-b-1=-40kJ；U2-b-1=-（U2-U1）=-40kJQ2-b-1=4040=80kJ，氣體在返回過程中放出熱量80kJ。三、穩(wěn)定流動(dòng)的能量方程式及應(yīng)用（一）穩(wěn)定流動(dòng)的能量方程式如圖2-11所示的一個(gè)系統(tǒng)，工質(zhì)不斷地經(jīng)由1-1截面進(jìn)入系統(tǒng)，同時(shí)系統(tǒng)不停地從外界吸取熱量，并不斷地通過

21、軸對(duì)外界輸出軸功，作功以后的工質(zhì)則不斷地通過截面2-211流出系統(tǒng)。這種工質(zhì)與外界不僅有能量的傳遞與轉(zhuǎn)換，而且還有物質(zhì)交換的系統(tǒng)，為“開口系統(tǒng)”。如果在流動(dòng)過程中，系統(tǒng)內(nèi)部及其邊界上各點(diǎn)工質(zhì)的熱力參數(shù)及運(yùn)動(dòng)參數(shù)都不隨時(shí)間而變，則稱這種流動(dòng)過程為穩(wěn)定流動(dòng)過程。要使流動(dòng)過程達(dá)到穩(wěn)定，必須滿足以下條件：?jiǎn)挝粫r(shí)間進(jìn)入熱力系的工質(zhì)質(zhì)量m與流出熱力系的工質(zhì)質(zhì)量m2相等。系統(tǒng)內(nèi)儲(chǔ)存的能量保持不變。為此，要求系統(tǒng)與外界的能量交換情況不隨時(shí)間而改變。即單位時(shí)間加入熱力系的凈熱及熱力系作出的功都不隨時(shí)間而變。一元穩(wěn)定流動(dòng)是工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)只沿著流動(dòng)的方向作連續(xù)變化的流動(dòng)。如圖2-11所示系統(tǒng),設(shè)單位時(shí)間有mkg工質(zhì)

22、由1-1截面進(jìn)入系統(tǒng)其狀態(tài)參數(shù)為壓力P、比容V、溫度T、內(nèi)能竹，流速為q,設(shè)進(jìn)口中心距水平面的高度為Z。經(jīng)由2-2截面離開系統(tǒng)時(shí)工質(zhì)的參數(shù)相應(yīng)為：p2、T2、v2、u2，流速為c2，出口截面中心距水平面的高度為1z2。進(jìn)、出口的能量有內(nèi)能mu、動(dòng)能Tmc2、位能rngz和流動(dòng)功mpv。此外，工質(zhì)流經(jīng)熱22力系時(shí)，外界加入熱量Q，工質(zhì)對(duì)外界輸出軸功Ws=mws。由于流動(dòng)是穩(wěn)定的，根據(jù)穩(wěn)定流動(dòng)的條件，系統(tǒng)的能量是不變的。能量平衡式列為mu1+mp1v1+mc2+rngz1+Q=rnu2+mp2v2+mc2十mgz2十mw112112222222-23)1也可與成Q=(U2U1)+m(p2v2p1v

23、1)+m(c2c2丿+rng(z2-z)+W$21221122121s對(duì)于lkg工質(zhì)可與為：q=(u2-u1)+(p2v2p1v1)+(c2c2丿+g(z2z丿+ws整理后得：2-24)1q=u+(p2v2P/+2(c2c2丿+g(z2乙丿+叫上式(2-23)和(2-24)為熱力學(xué)第一定律應(yīng)用于工質(zhì)在穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)的數(shù)學(xué)表達(dá)式。稱為穩(wěn)定流動(dòng)的能量方程式。1一、.工程熱力學(xué)中將A(c2c2)+g(Z2Z)+W二項(xiàng)之和總稱為技術(shù)功wt。22121st將焓代人穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式可得：1q=(h2-h)+(c2-c2)+g(z2-z1)+ws(2-25)技術(shù)功代入上式得：q=Ah+wt(2-26)對(duì)其微元

24、則：&q=dh+6w=dh-vdp若為可逆過程，則2-27)2q=Ahvdp二)應(yīng)用1熱交換器工質(zhì)流經(jīng)熱交換器(鍋爐、加熱器、凝汽器等)時(shí)，和外界有熱量交換而不作功，故w=0,位能差和動(dòng)能差很小可忽略不計(jì)，因此，穩(wěn)定流動(dòng)的能量方程簡(jiǎn)化為：$q=h2h2汽輪機(jī)汽流通過汽輪機(jī)時(shí)發(fā)生膨脹，壓力下降，對(duì)外作功。動(dòng)能、位能可忽略，散熱小q0o因此，穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式用于熱機(jī)時(shí)就簡(jiǎn)化為：ws=(h1h2)3泵和風(fēng)機(jī)工質(zhì)流經(jīng)泵和風(fēng)機(jī)時(shí)消耗外功而使工質(zhì)壓力增加，外界對(duì)工質(zhì)作功。位能差和動(dòng)能差很小可忽略不計(jì)，q0。能量方程式可以簡(jiǎn)化為：-w=hhs214噴管噴管是一種特殊的短管，氣流經(jīng)過噴管后，壓力下降，速度增

25、加。12(c2c1)=h廠h2例題2-8已知新蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)時(shí)的焓h=3230kJ/kg，流速q=50m/s，排汽流出汽輪機(jī)時(shí)的焓h2=2300kJ/kg，流速c2=100m/s,散熱損失和位置高差可忽略不計(jì)。求每kg蒸汽流經(jīng)汽輪機(jī)時(shí)對(duì)外界所作的功；若忽略工質(zhì)進(jìn)、出汽輪機(jī)的動(dòng)能差，估計(jì)由此對(duì)w勺計(jì)算值所產(chǎn)生的誤差，若蒸汽流量為104kg/h,求汽輪機(jī)的功率。解如圖2-11所示，取1、2截面間的流體作熱力系。根據(jù)穩(wěn)定流動(dòng)能量方程有：q=(h2h1)+g(z2z1)+ws其中qO,位能為零故w=(hh)2(c2c2)=(32302300)1(1002502)X10-3=926.25kJ/kgs12

26、2212(2)工質(zhì)進(jìn)、出汽輪機(jī)動(dòng)能之差為：1(c2cJ2)=3.75kJ/kg3.75926.25=0.405%其數(shù)值為功量w的0.405%，誤差很小故?？珊雎浴?汽輪機(jī)的功率為：926.25X103X104X13600=2570KW第四節(jié)熱力學(xué)第二定律一、熱力循環(huán)工質(zhì)從某一狀態(tài)經(jīng)過一系列的狀態(tài)變化過程，又回到原來狀態(tài)的全部過程的組合，就稱為“熱力循環(huán)”，簡(jiǎn)稱循環(huán)。在一個(gè)循環(huán)中，既然工質(zhì)經(jīng)過膨脹后又能回復(fù)到原來的狀態(tài)，那么，一個(gè)循環(huán)中必定同時(shí)包含著膨脹和壓縮這樣兩個(gè)性質(zhì)相對(duì)立的熱力過程。可見，一個(gè)熱力循環(huán)最少應(yīng)由兩個(gè)熱力過程所組成。如果循環(huán)的總效果是將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，則稱為正向循環(huán)。各種熱力

27、發(fā)動(dòng)機(jī)中所實(shí)施的循環(huán)都是正向循環(huán)，故也稱為熱機(jī)循環(huán)。正向循環(huán)所產(chǎn)生的凈功，等于循環(huán)中工質(zhì)對(duì)外界所做的膨脹功和外界對(duì)工質(zhì)所做的壓縮功的代數(shù)和。這個(gè)凈功就是可以由外界加以利用的功，所以也稱它為“有用功”用符號(hào)w0表示。對(duì)于一個(gè)循環(huán)，由于工質(zhì)回復(fù)到原來的狀態(tài)，所以內(nèi)能的變化應(yīng)為：U=O。根據(jù)熱力學(xué)第一定律，對(duì)于一個(gè)循環(huán)則有：q=Au+w=w這里的q和w都是指循環(huán)的總效應(yīng)，即w是指整個(gè)循環(huán)中工質(zhì)對(duì)外界所作膨脹功和外界對(duì)工質(zhì)所作壓縮功的代數(shù)和，即為有用功w，而q是整個(gè)循環(huán)中工質(zhì)從外界所吸收熱量和對(duì)0外界放出熱量的代數(shù)和，即為循環(huán)的凈熱量，常用q0表示，因而對(duì)于循環(huán)有：qo=qi-q2=wo圖2-12正向

28、循環(huán)見圖2-12，在Ts圖上凈熱量的大小為：q=面積1a2341一面積2b1432二面積la2bl即為循環(huán)曲線所包圍的面積。顯然，從利用熱能來取得機(jī)械能的目的出發(fā)，我們希望在一定的吸熱量下，放熱量愈小愈好，這樣可以得到的有用功就愈多。也就是說，有用功w相對(duì)于循環(huán)時(shí)吸熱0量q1所占有的份額愈大愈好。2-28)wq-q1qn=o=12=12tqqq111nt表明熱機(jī)循環(huán)變熱能為機(jī)械能的有效程度，稱作循環(huán)的熱效率。即循環(huán)的熱效率等t于循環(huán)產(chǎn)生的有用功或有效熱與循環(huán)的吸熱量之比的百分?jǐn)?shù)，愈大表示循環(huán)的經(jīng)濟(jì)程度愈高。二、熱力學(xué)第二定律熱量從低溫物體傳至高溫物體的過程需要有機(jī)械能轉(zhuǎn)變成熱能的過程來補(bǔ)償；熱

29、能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能的過程則需要有熱量從高溫物體傳至低溫物體的過程來補(bǔ)償，這些補(bǔ)償過程都是自發(fā)的過程。可見，一個(gè)非自發(fā)過程的進(jìn)行要伴隨一個(gè)自發(fā)的過程來作為補(bǔ)償。所以，在沒有補(bǔ)償?shù)臈l件下，自然界的一切過程只能朝著自發(fā)的方向進(jìn)行，這就是過程的方向性，任何過程都具有這種方向性。熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)和表述克勞修斯說法“熱量不可能自動(dòng)（自發(fā)）地不付代價(jià)地從低溫物體傳到高溫物體”。開爾文普朗克說法不可能制成一種循環(huán)動(dòng)作的熱機(jī)，只從一個(gè)熱源吸取熱量，使之完全變?yōu)橛杏霉?，而其它物體不發(fā)生任何變化”。(1)熱轉(zhuǎn)換為功是非自發(fā)過程，實(shí)現(xiàn)這種過程需要有一定的補(bǔ)充條件。在第二定律確立以前，有人曾設(shè)想制造出一種只需要一個(gè)熱源

30、就能連續(xù)工作的機(jī)器，它試圖把從單一熱源吸取的熱量全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣?，而不引起其它變化。因此“第二類永?dòng)機(jī)是不可能造成的”。不能把熱力學(xué)第二定律簡(jiǎn)單地理解成“功可以完全變?yōu)闊?，但熱不能完全變?yōu)楣Α薄Ｒ驗(yàn)?，可用來推?dòng)熱變功這種非自發(fā)過程得以實(shí)現(xiàn)的補(bǔ)償過程，并非只限一種。三、卡諾循環(huán)卡諾循環(huán)是兩個(gè)熱源間的可逆循環(huán)，它由兩個(gè)可逆的等溫過程和兩個(gè)可逆的絕熱過程所組成，如圖2-13所示。過程進(jìn)行的順序如下：圖2-13ss2s14?2卡諾循環(huán)2為可逆等溫吸熱過程，工質(zhì)從高溫恒溫?zé)嵩?)吸人熱量口，對(duì)外界作膨脹功wi2；3為可逆絕熱膨脹過程，工質(zhì)從溫度T下降至T并對(duì)外界作膨脹功w；12234為可逆等溫放熱過程，工質(zhì)

31、在溫度T2下向冷源放出熱量q2,同時(shí)接受外界的壓縮功w；341為可逆絕熱壓縮過程，工質(zhì)從溫度了T升高至溫度T,接受外界的壓縮功w，回2141到初狀態(tài)1，完成一個(gè)循環(huán)。循環(huán)的熱經(jīng)濟(jì)性是以熱效率來衡量的，工質(zhì)為理想氣體時(shí)，熱效率與工質(zhì)性質(zhì)無關(guān)。所以，理想氣體卡諾循環(huán)熱效率可簡(jiǎn)化為：12-31)分析卡諾循環(huán)熱效率公式，可得出下列結(jié)論：卡諾循環(huán)的熱效率，決定于高溫?zé)嵩磁c低溫?zé)嵩吹臏囟萒及T，即取決于工質(zhì)吸熱、12放熱時(shí)的溫度。T越高，T越低，也就是熱源與冷源的溫差愈大，循環(huán)熱效率越高。12卡諾循環(huán)的熱效率恒小于1,決不可能等于1,更不可能大于1。當(dāng)熱源和冷源的溫度相等，即人二驚時(shí)，卡諾循環(huán)的熱效率等于

32、零。這就是說當(dāng)處于熱平衡時(shí)，不可能再將熱連續(xù)地變?yōu)楣?。所以循環(huán)中的溫度差是熱能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能的必要條件?？ㄖZ循環(huán)是一種理想循環(huán)，由于實(shí)際上不可能在等溫下進(jìn)行熱量交換，另外還有摩擦等不可逆損失，故實(shí)際熱機(jī)不可能完全按卡諾循環(huán)工作。雖然卡諾循環(huán)不能付諸實(shí)現(xiàn)，但它從理論上確定了循環(huán)中實(shí)現(xiàn)熱變功的條件和在一定的溫差范圍內(nèi)熱變功的最大限度，從而指出了提高實(shí)際熱機(jī)熱效率的方向，即盡可能提高循環(huán)中工質(zhì)吸熱時(shí)的溫度，盡可能降低工質(zhì)放熱時(shí)的溫度。循環(huán)的最低溫度受環(huán)境限制，所以提高熱效率主要靠提高吸熱溫度。實(shí)際上各種熱機(jī)正是向提高循環(huán)最高溫度和最高壓力的方向發(fā)展的。例題2-9某熱機(jī)中的工質(zhì)從t1727C的高溫?zé)嵩次?/p>

33、熱1000kJ/kg，向t2=227C的低溫?zé)嵩捶艧?60kJ/kg。試判斷該熱機(jī)中工質(zhì)的循環(huán)能否實(shí)現(xiàn)？是否為可逆循環(huán)？解由卡諾定理可知，在溫度不同的兩熱源間工作的熱機(jī)以卡諾循環(huán)的熱效率為最高故Tn=1盲=0.75cT1按熱效率定義，該循環(huán)的熱效率為：n=1q=0.64tq1因nttS(a)未飽和水(b)飽和水(c)濕飽和蒸汽(d)干飽和蒸汽(e)過熱蒸汽飽和蒸汽，如圖3-1(d)所示，其狀態(tài)參數(shù)為p、v、t,對(duì)干飽和蒸汽繼續(xù)加熱，蒸汽的溫S度升高，比容繼續(xù)增大，此時(shí)蒸汽溫度t高于相應(yīng)壓力下的飽和溫度稱為過熱蒸汽，如圖3-l(e)所示，其狀態(tài)參數(shù)為p、v、t。過熱蒸汽溫度超出飽和溫度的數(shù)值(t

34、-t)稱為過熱度，S過熱度越高，表示蒸汽離飽和狀態(tài)越遠(yuǎn)。總結(jié)上述水蒸汽定壓產(chǎn)生過程，可以分為三個(gè)階段：第一階段：未飽和水的定壓加熱階段，它表示從oc的未飽和水加熱到飽和水的過程，圖3-1中的ab段。把lkgOC的水定壓加熱為飽和水所需要的熱量叫液體熱或預(yù)熱熱，用q滬表示。因?yàn)槎ㄒ簤哼^程所吸收的熱量可用焓差來表示，所以：q液=h-h0kJ/kg液0第二階段：飽和水的定壓定溫汽化階段即圖3-1中的bd段。它表示從飽和水加熱到干飽和蒸汽的過程。把1kg飽和水變成1kg干飽和蒸汽所需要的熱量稱為汽化潛熱，或簡(jiǎn)稱汽化熱，以r表示。r二h-hkJ/kg一定量濕蒸汽中所含干飽和蒸汽的質(zhì)量與總質(zhì)量之比稱為干度

35、，用符號(hào)x表示x=干飽和蒸汽的質(zhì)量濕蒸汽的總質(zhì)量干度是飽和狀態(tài)下工質(zhì)特有的參數(shù)，它表示濕蒸汽的干燥程度。x值越大，濕蒸汽越干燥。對(duì)飽和水，x=0；對(duì)于干飽和蒸汽x=l。第三階段：干飽和蒸汽的定壓過熱階段即圖3-1中的de段，它表示從干飽和蒸汽加熱到過熱蒸汽的過程。對(duì)干飽和蒸汽加熱，蒸汽的溫度要升高。加熱量越大，溫度升高越大，即過熱度越大。1kg干飽和蒸汽在定壓下加熱成過熱蒸汽所需要的熱量叫過熱熱，用符號(hào)q過表示。過q、=hhkJ/kg過2水蒸汽的p-v圖和T-s圖實(shí)驗(yàn)表明在不同壓力下水蒸汽的定壓產(chǎn)生過程，同樣都要經(jīng)歷上述三個(gè)階段，并都呈現(xiàn)有各自相應(yīng)的未飽和水、飽和水、濕飽和蒸汽、干飽和蒸汽和過

36、熱蒸汽五種狀態(tài)。將若干壓力下的水蒸汽定壓發(fā)生過程表示在p-v圖和T-S圖上，如圖3-2所示，將不同壓力下的飽和水溫度點(diǎn)連成MC曲線，MC曲線為飽和水線，將不同壓力下的干飽和蒸汽溫度點(diǎn)連成NC曲線，NC曲線為干飽和蒸汽線。C點(diǎn)為臨界點(diǎn)，水的臨界參數(shù)：Pc=22.12Mpa,tc=374.15C,vc=0.00317m3/kg。在臨界點(diǎn)，飽和水與干飽和蒸汽沒有區(qū)別，即在臨界壓力PC下加熱未飽和水，當(dāng)溫度達(dá)到飽和溫度tC時(shí)，飽和水立刻全部汽化，變成干飽和蒸汽。第二節(jié)水蒸汽表及焓熵圖一、水蒸汽表1飽和水和干飽和蒸汽表飽和水和干飽和蒸汽的參數(shù)可查飽和水蒸汽表該表分兩種形式：一種是以溫度為變數(shù)列出了相應(yīng)的

37、飽和水蒸汽的各參數(shù)值,見附表一；另一種是以壓力為變數(shù)列出了相應(yīng)的飽和水蒸汽的各參數(shù)值，見附表二。例題3-1若壓力為p=1MPa，當(dāng)溫度分別為100C、200C、300C時(shí)，試確定水所對(duì)應(yīng)的狀態(tài)。解查以壓力為依據(jù)的飽和水蒸汽表得：p=1MPa時(shí)，ts=179.88C。故在100C時(shí)，為未飽和水，而在200C和300C時(shí)，為過熱蒸汽。例題3-2150C的水放在一個(gè)密閉的容器內(nèi)，試問處在什么壓力下才可能保持水的狀態(tài)?解查以溫度為依據(jù)的飽和水蒸汽表t=150C時(shí)，p=0.476MPaSS因此，處于p0.476MPa時(shí)才可能保持水的狀態(tài)。若壓力低于此壓力時(shí)，容器中就不可能有水而全是過熱蒸汽了。2未飽和水

38、及過熱蒸汽表未飽和水及過熱蒸汽是處于飽和界限曲線以外的非飽和狀態(tài)工質(zhì)，其狀態(tài)參數(shù)可由P、t等任何兩個(gè)獨(dú)立參數(shù)來確定。見附錄表三。例題3-3試求水在0.05MPa下溫度為80C和140C時(shí)的狀態(tài)及參數(shù)。解查未飽和水及過熱蒸汽表，p=0.05MPa時(shí)，t=81.35C，當(dāng)溫度為80C時(shí)為未飽和水，其參數(shù)為v=0.0010292m3/kgh=334.9kJ/kgs=1.0752kJ/(kgK)當(dāng)溫度140C時(shí)，tt$為過熱蒸汽，其參數(shù)為v=3.796m3/kgh=2760.6kJ/kgs=7.8942kJ/(kgK)二、水蒸汽的焓一熵圖（h-s）由于水蒸汽表是不連續(xù)的，在求表列值間隔中的數(shù)據(jù)時(shí)，必須

39、使用內(nèi)插法，同時(shí)在分析熱力過程時(shí)表不如圖清晰方便。因此，根據(jù)分析計(jì)算和研究的實(shí)際需要，可以用狀態(tài)參數(shù)為坐標(biāo)，繪制水蒸汽的各種熱力性質(zhì)圖。如前面已介紹過的p-v圖和T-s圖，這兩種圖在分析過程時(shí)是有其特點(diǎn)的。但在工程上常常需要計(jì)算功量和熱量的大小，在p-v圖和T-s圖中就需要計(jì)算過程曲線下方的面積，這是很不方便的。而在以焓h為縱坐標(biāo)，以熵s為橫坐標(biāo)所構(gòu)成的焓一熵圖（h-s圖）上，液體熱、汽化熱、過熱熱以及絕熱膨脹技術(shù)功等，都可以用線h圖3-3水蒸汽的h-s圖s段表示，h-s圖具有很大的實(shí)用價(jià)值，成為工程上廣泛使用的一種重要工具。h-s圖是根據(jù)水蒸汽表上所列數(shù)據(jù)繪制而成的，其結(jié)構(gòu)如圖3-3所示，在

40、h-s圖中C為臨界點(diǎn)，x=0為飽和水線，x=l為干飽和蒸汽線，另外還繪有以下各種線群：1定壓線群2等溫線群3等干度線群4定容線群5定焓線群6定熵線群第三節(jié)水蒸汽的流動(dòng)及典型熱力過程一、連續(xù)性方程連續(xù)性方程是在質(zhì)量守恒定律基礎(chǔ)上建立起來的，它普遍適用于穩(wěn)定而連續(xù)的流動(dòng)過程。連續(xù)性方程可以表述為；單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入熱力系的工質(zhì)質(zhì)量與流出熱力系的工質(zhì)質(zhì)量相等，且等于常數(shù)。設(shè)有一任意流道如圖3-4所示。則單位時(shí)間內(nèi)流過的流體質(zhì)量為：c2Acm1=-r-rkg/s1v1同理，在截面2-2處相應(yīng)有：Acm2=22kg/s2v2在連續(xù)穩(wěn)定流動(dòng)中，單位時(shí)間內(nèi)通過流道任意截面的質(zhì)量流量應(yīng)相等。即AcAcAcm=常數(shù)

41、（31）vvv12這就是連續(xù)性方程，它描述了流速、截面積和比容之間的關(guān)系。不論工質(zhì)是理想氣體還是實(shí)際氣體，也不論過程是否可逆、是否作功，是否絕熱，上式均適用。二、音速及馬赫數(shù)音速是微弱擾動(dòng)波在介質(zhì)中傳播速度的統(tǒng)稱。所謂弱擾動(dòng)是指由于某種原因引起的氣體狀態(tài)發(fā)生微弱變化的現(xiàn)象。如敲音叉、說話等，都會(huì)使氣體介質(zhì)產(chǎn)生周期性的疏密波，并隨即向遠(yuǎn)離擾動(dòng)源的空間傳播，波及之處氣體參數(shù)將跟著變化。音波的傳播過程可視作可逆絕熱過程，在狀態(tài)參數(shù)為p、v的理想氣體中，音速的計(jì)算式可導(dǎo)為：32)可見音速與流體的性質(zhì)和狀態(tài)有關(guān)。對(duì)于理想氣體，即當(dāng)氣流溫度升高時(shí)，音速亦增大。而且對(duì)不同的理想氣體（k和R不同），音速也不同

42、。對(duì)于實(shí)際氣體，音速不僅與溫度有關(guān)還與壓力有關(guān)。應(yīng)當(dāng)注意音速是隨介質(zhì)狀態(tài)而變的參數(shù)，一個(gè)狀態(tài)對(duì)應(yīng)一個(gè)確定的音速。通常所說的音速是指某一狀態(tài)下的音速值，稱為當(dāng)?shù)匾羲?。在流?dòng)中氣流各點(diǎn)的狀態(tài)不同，它們的當(dāng)?shù)匾羲僖膊煌?。在分析流體流動(dòng)時(shí)，常以音速作為流體速度的比較標(biāo)準(zhǔn)。人們把氣流中任一確定點(diǎn)的速度c與該介質(zhì)中當(dāng)?shù)匾羲賏之比這一無因次量稱為該點(diǎn)氣流的馬赫數(shù)，用符號(hào)Ma表示。即cMa=（3-3）a如果流速小于當(dāng)?shù)匾羲?，即Mavl，稱為亞音速流動(dòng)；若流速大于當(dāng)?shù)匾羲伲碝al,稱為超音速流動(dòng)；Ma=1表示流速等于當(dāng)?shù)匾羲?，為臨界流動(dòng)。三、噴管凡是用來使氣流壓力降低速度增大的管道都稱為噴管。對(duì)噴管來說沿著流

43、動(dòng)方向，氣體因絕熱膨脹比容不斷增大，壓力降低而流速增加，這時(shí)氣流截面的變化規(guī)律為：1漸縮噴管：當(dāng)噴管進(jìn)口流速為亞音速時(shí)，cva，即Mavl，噴管應(yīng)是漸縮形的。漸擴(kuò)噴管：當(dāng)噴管進(jìn)口流速為超音速時(shí)，ca,即Ma1，噴管應(yīng)是漸擴(kuò)形的。縮放噴管：如果工質(zhì)在噴管內(nèi)從亞音速一直膨脹到超音速，即氣流從Mavl連續(xù)加速到Ma1時(shí)，其截面變化必然是先收縮而后擴(kuò)張，中間有一最小截面。這最小截面為臨界截面，是亞音速與超音速氣流的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。這種先收縮后擴(kuò)張的噴管稱為縮放噴管，也叫拉伐爾噴管。在縮放噴管的最小截面處(也稱喉部)，Ma=l，流速等于當(dāng)?shù)匾羲?。各種噴管的形狀如圖3-5所示。（a）漸縮噴管（b）漸擴(kuò)噴管（c）所

44、放噴管圖3-5噴管由此可見在漸縮噴管中，流出噴管的速度一般比當(dāng)?shù)匾羲傩?Mavl),最多等于當(dāng)?shù)匾羲?Ma=1)，絕不會(huì)超過當(dāng)?shù)匾羲伲欢诳s放噴管中，在漸縮部分速度增至當(dāng)?shù)匾羲費(fèi)a=1),再經(jīng)漸擴(kuò)部分速度繼續(xù)增加，達(dá)到超過當(dāng)?shù)匾羲?Ma1)。所以管道截面形狀一定要符合氣流加速對(duì)截面積變化的要求，才能保證氣流在噴管中充分膨脹，達(dá)到理想加速的效果。如果C、c2為噴管進(jìn)、出口截面上的流速，九、h2為進(jìn)、出口截面處氣流的焓值。噴管出口流速為：c=2(h-h)+c2m/s2121由于噴管的進(jìn)口速度遠(yuǎn)較出口速度小，故c2vvc2所以通?？陕匀?，這時(shí)12c=2(hh)m/s(3-4)212四、水蒸汽的熱力過

45、程1定壓過程在熱力變化過程中，壓力始終不變，即為定壓過程。如鍋爐、凝汽器等為定壓工作過程，其熱量為：q=h-h(3-5)212絕熱過程(等熵過程)在熱力變化過程中，系統(tǒng)與外界不交換熱量，q=O,為絕熱過程。如汽輪機(jī)、給水泵為絕熱工作過程。絕熱過程的技術(shù)功等于過程中的焓降：w=h-h(3-6)t12例題3-4給水在210C下送入鍋爐，在其中定壓加熱成過熱蒸汽。P=10MPa,七2=550試求：每千克水在鍋爐中加熱成過熱蒸汽所吸入的熱量。解由水蒸汽表查出此狀態(tài)的給水焓為h=900.9kJ/kg。再由終參數(shù)查得h=3500.4kJ/kg。即可算出每kg水加熱成過熱蒸汽的吸熱量為：q=h-h=2599

46、.5kJ/kg例題3-5P=9MPa、t=500C的蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)，在汽輪機(jī)中絕熱膨脹到P=0.005MPa。求每千克蒸汽在汽輪機(jī)中所作的膨脹功及技術(shù)功。2解根據(jù)P=9MPa，t=500C，由h-s圖上查得h=3386kJ/kg，v=0.037m3/kg再由點(diǎn)1作等熵線與P2交于2點(diǎn)h2=2052kJ/kg，v2=21.5m3/kg可逆絕熱膨脹功為：w=-Au=(h1-h2)-(p1v1-p2v2)=1108.5kJkg可逆絕熱技術(shù)功為：wt=(h1-h2)=1334kJkg1-鍋爐2-汽輪機(jī)3-凝汽器4-給水泵5-發(fā)電機(jī)6-過熱器蒸汽動(dòng)力循環(huán)一、朗肯循環(huán)1朗肯循環(huán)的裝置系統(tǒng)圖如圖3-6所示。

47、水首先在鍋爐和過熱器中吸熱，由未飽和水加熱變?yōu)檫^熱蒸汽，整個(gè)過程都是在一定的壓力下進(jìn)行的。過熱蒸汽經(jīng)管道送入汽輪機(jī)，在汽輪機(jī)內(nèi)蒸汽絕熱膨脹作功，使汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。汽輪機(jī)中作完功的蒸汽（叫乏汽）排入凝汽器中，對(duì)冷卻水放熱，定壓凝結(jié)成飽和水。凝結(jié)水再經(jīng)給水泵絕熱壓縮升壓后再次送入鍋爐加熱，從而完成循環(huán)。2.朗肯循環(huán)在T-s圖上的表示圖3-7為朗肯循環(huán)的T-s圖。圖中4-1過程：鍋爐及過熱器中的等壓加熱過程，在壓力P1下由未飽和水預(yù)熱成飽和水（4-5段），再定壓等溫汽化為飽和蒸汽（5-6段），最后定壓加熱成過熱蒸汽（6-1段）。過程中工質(zhì)與外界無技術(shù)功交換。2過程：過熱蒸汽在汽輪機(jī)中的絕熱

48、膨脹過程，壓力由P降至p2，比容增加，熵不變，工質(zhì)對(duì)外作功。3過程：乏汽在疑汽器中的定壓放熱凝結(jié)過程，比容減小，熵減小而溫度不變。乏汽凝結(jié)成p2壓力下的飽和水。4過程：水在水泵內(nèi)的絕熱壓縮過程，壓力由p2升至p1。3朗肯循環(huán)的熱效率循環(huán)中工質(zhì)在鍋爐內(nèi)定壓加熱所吸收的熱量qi為q1=h1一h4kJ/kg工質(zhì)在凝汽器中對(duì)外的放熱量q2為q2=h2一h3kJ/kg汽輪機(jī)中工質(zhì)對(duì)外作功圖3-7朗肯循環(huán)T-s圖w汽=h1一h2kJ/kg水泵中工質(zhì)消耗的外功為W泵屯一h3kJ/kg整個(gè)循環(huán)對(duì)外所作的有用功為汽輪機(jī)作的功減去水泵所消耗的功。即w=w汽-w泵=(hh2)(h4h3)kJ/kg循環(huán)的熱效率為w(

49、h-h)-(h-h)1tqh-h114通常給水泵所消耗的功與汽輪機(jī)所作的功相比很小，在近似計(jì)算中泵功常忽略不計(jì)(34點(diǎn)重合)，即h4h3,h3=h2z(h2z為凝汽器壓力下的飽和水焓)。由此可得3-7)h-hnt-h12例題3-7某汽輪機(jī)用過熱蒸汽按朗肯循環(huán)工作。蒸汽初參數(shù)為P,=4WP,t,=440r,1a1凝汽終壓力P2=0.005MPa。試求循環(huán)的熱效率。解h1=3308h=21242h=137.772kJ/kgkJ/kgkJ/kgh-hnt午=37%-h12二、蒸汽參數(shù)對(duì)循環(huán)熱效率的影響1蒸汽初溫t1對(duì)熱效率的影響在蒸汽初壓P和終壓p2不變時(shí)，提高蒸汽初溫t可使熱效率提高。此外，初溫提

50、高后乏汽的干度將增大,這對(duì)汽輪機(jī)的工作也是有利的。但采用較高的初溫后,鍋爐的過熱器和汽輪機(jī)的高壓端要使用昂貴的金屬材料，引起設(shè)備費(fèi)用增加。而且提高初溫要受到金屬耐熱性能的限制，目前初溫的高限在600C左右。2蒸汽初壓p1對(duì)熱效率的影響在初溫t1和終壓力p2不變的條件下，提高初壓pl也可以使熱效率提高。但是隨著初壓的提高，對(duì)設(shè)備強(qiáng)度的要求也提高。而且膨脹終了時(shí)的乏汽干度將迅速降低，乏汽中所含水分增加，這將引起汽輪機(jī)內(nèi)部效率降低。若水分超過某一限度時(shí)將引起汽輪機(jī)中最后幾級(jí)葉片的浸蝕，危及汽輪機(jī)的安全，乏汽干度不宜太低。通常在提高初壓時(shí)，必須同時(shí)提高初溫或采取其它措施，以保證乏汽干度不致過低。終壓p

51、2對(duì)熱效率的影響在蒸汽初溫t1及初壓p1都保持不變時(shí)，降低乏汽壓力p2,也會(huì)提高循環(huán)的熱效率。隨著p2的降低，放熱過程平均溫度，將明顯降低。雖然因?yàn)榉艧釡囟鹊慕档褪沟缅仩t給水溫度也降低，從而影響循環(huán)的平均吸熱溫度也有微小的降低，但是，由于平均放熱溫度的降低大大超過了平均吸熱溫度的微小降低，故循環(huán)的平均溫差加大，熱效率將有明顯的提高。但是，過低的乏汽壓力會(huì)使乏汽比容大大增加，導(dǎo)致汽輪機(jī)尾部尺寸加大。目前火力發(fā)電廠常用的乏汽壓力為0.0030.004MPa左右。綜上所述，蒸汽參數(shù)對(duì)循環(huán)熱效率的影響歸結(jié)如下，提高蒸汽初參數(shù)P、t1,可以提高循環(huán)的熱效率。因而現(xiàn)代蒸汽動(dòng)力循環(huán)都朝著采用高參數(shù)、大容量的

52、方向發(fā)展。提高初參數(shù)P、-后，因循環(huán)的熱效率增加而使動(dòng)力廠的運(yùn)行費(fèi)用下降。但由于高參數(shù)的采用，設(shè)備的投資費(fèi)用和一部分運(yùn)行費(fèi)用又將增加，故參數(shù)和容量的配套必須經(jīng)過全面的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。三、蒸汽再熱循環(huán)為了解決應(yīng)用高參數(shù)蒸汽后乏汽濕度太大的矛盾，常采用中間再熱的辦法，這就是蒸汽再熱循環(huán)。1中間再熱循環(huán)的裝置系統(tǒng)圖圖3-8為中間再熱循環(huán)的裝置系統(tǒng)圖。所謂中間再熱就是將汽輪機(jī)中膨脹至某一中間壓再熱器力的蒸汽抽出汽輪機(jī)，重又引回到鍋爐的再熱器中再次被定壓加熱，其溫度提高后再導(dǎo)入汽輪機(jī)繼續(xù)膨脹作功到背壓p2。雖然最后排汽壓力沒有變，但排汽的干度增加了，作功量增加，熱經(jīng)濟(jì)性提高。2中間再熱循環(huán)的分析由于采用中

53、間再熱后可明顯提高乏汽的干度，圖3-8再熱循環(huán)所以最初只是將再熱作為解決乏汽干度問題的一種辦法。但發(fā)展到今天它的意義已遠(yuǎn)不止此，現(xiàn)在它已成為大型機(jī)組提高熱效率的必要措施。再熱循環(huán)的熱效率大于原來的朗肯循環(huán)熱效率。一般再熱壓力選擇在蒸汽初壓力的20%30%之間。一般機(jī)組壓力低于lOMPa時(shí)，則很少采用再熱循環(huán)。國(guó)產(chǎn)再熱機(jī)組的容量為12.5萬KW及以上。四、回?zé)嵫h(huán)回?zé)嵫h(huán)的基本原理是從汽輪機(jī)中抽出一部分作過部分功的蒸汽來加熱給水，將給水溫度提高后再送入鍋爐，以減少鍋爐中的低溫段吸熱。這樣可以提高平均吸熱溫度，從而提高熱效率。故也稱為抽汽回?zé)嵫h(huán)。如圖3-9所示，為具有一次抽汽的回?zé)嵫h(huán)裝置系統(tǒng)圖

54、3-9回?zé)嵫h(huán)圖。分析回?zé)嵫h(huán)時(shí)，除弄清工質(zhì)在裝置內(nèi)流經(jīng)的路徑及在設(shè)備中狀態(tài)變化的各熱力過程的性質(zhì)外，還必須注意設(shè)備中工質(zhì)流量的變化。與朗肯循環(huán)相比，采用回?zé)嵫h(huán)要增加回?zé)崞?、相?yīng)的管道和閥門、水泵等設(shè)備，系統(tǒng)也變得更復(fù)雜，設(shè)備投資費(fèi)用要增加，但重要的是它還有有利的面，下面我們作簡(jiǎn)要分析。(1)由于利用了在汽輪機(jī)中作過部分功的蒸汽來加熱給水，使給水溫度提高，提高了吸熱過程平均溫度，故在鍋爐中的吸熱量減少。而且抽汽不再至凝汽器中向冷卻水放熱，減少了凝汽器中的熱損失，所以回?zé)嵫h(huán)的熱效率較同參數(shù)的朗肯循環(huán)高。(2)由于給水溫度提高，鍋爐的熱負(fù)荷減少，可以減少鍋爐的受熱面，尤其是省煤器將大為縮減，從

55、而可以節(jié)約部分金屬材料。采用回?zé)嵫h(huán)后，每千克抽汽在汽輪機(jī)中的作功量減少了。若發(fā)電量不變，則需增加進(jìn)入汽輪機(jī)的新蒸汽量，以彌補(bǔ)因抽汽而減少的發(fā)電量，因而汽耗率加大。但由于抽汽使汽輪機(jī)后幾級(jí)的流量減少，從而使低壓缸及末級(jí)葉片尺寸減小，這有利于汽輪機(jī)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，而且進(jìn)入凝汽器的乏汽減少，可使凝汽器的換熱面積減少。從理論上講給水在回?zé)崞髦屑訜岬臏囟仍礁?，則平均吸熱溫度愈高，熱效率也就愈高。但是要提高給水溫度，從汽輪機(jī)中抽出蒸汽的壓力就愈高，因而蒸汽在汽輪機(jī)中膨脹作功的數(shù)值相應(yīng)地減少，這是不利的。為了既能提高給水溫度，又能在汽輪機(jī)中盡可能的多做功，常采用多級(jí)抽汽的辦法。五、供熱循環(huán)在金屬性能和環(huán)境條件

56、允許時(shí)，提高初參數(shù)，降低終參數(shù)，采用再熱、回?zé)岬却胧梢蕴岣邿嵝?。但現(xiàn)代蒸汽動(dòng)力循環(huán)的熱效率一般仍低于50，即是說尚有50的熱能不可避免地放給低溫?zé)嵩?凝汽器中的冷卻水)而散失于大氣中，這部分熱能雖然數(shù)量很大，但由于它是在接近大氣溫度下放出的，因而已不能進(jìn)一步將其轉(zhuǎn)換為機(jī)械功。但是在一定條件下可以作為熱能的形式而直接加以利用。這樣，就可以提高燃料的利用率，大大提高發(fā)電廠的經(jīng)濟(jì)性。熱電循環(huán)就是一方面生產(chǎn)電能，一方面將作過功的蒸汽部分或全部引出，供給外部工業(yè)或生活熱用戶，使能量得到充分利用的一種綜合循環(huán)方式。采用熱電循環(huán)的發(fā)電廠稱為熱電廠。熱電廠對(duì)外供熱的方式有兩種:一種是采用背壓式汽輪機(jī)(排

57、汽壓力高于O.IMPa的汽輪機(jī)稱為背壓式汽輪機(jī))對(duì)外供熱；另種是采用調(diào)節(jié)抽汽式汽輪機(jī)對(duì)外供熱。圖3-10是采用背壓式汽輪機(jī)的簡(jiǎn)單熱電循環(huán)系統(tǒng)圖。它與凝汽式動(dòng)力循環(huán)的主要區(qū)別為:排汽不再通過凝汽器向大氣散熱，而是通過換熱器或直接向熱用戶供熱。為了滿足熱用戶一定的汽溫或水溫要求，背壓p2不能過低，一般在O.IMPa以上。用背壓式汽輪機(jī)供熱的主要優(yōu)點(diǎn)是能量利用系數(shù)高，沒有凝汽器及其附屬設(shè)備，因此系統(tǒng)簡(jiǎn)單，投資費(fèi)用低，常用于需汽量很大的企業(yè)自備電廠中。這種循環(huán)的缺點(diǎn)是供熱供電相互影響，當(dāng)蒸汽的供應(yīng)增大或減少時(shí)，電能的生產(chǎn)也要跟著增大或減少，并且不能滿足不同熱力參數(shù)要求的熱用戶的需要。為了避免這些缺點(diǎn)，

58、多采用調(diào)節(jié)抽汽式汽輪機(jī)供熱。圖3-11為調(diào)節(jié)抽汽式汽輪機(jī)供熱循環(huán)系統(tǒng)圖。在這類熱電循環(huán)中，供熱蒸汽量的變動(dòng)對(duì)電能生產(chǎn)影響較小，可同時(shí)滿足供熱和供電二者的需要，同時(shí)還可以用不同壓力的抽汽來滿足各種熱用戶的不同要求，而且其熱效率較背壓式汽輪機(jī)熱電循環(huán)高，是熱電廠普遍采用的一種方式。圖3-10背壓式機(jī)組的供熱循環(huán)2圖3-11調(diào)節(jié)抽汽式機(jī)組供熱循環(huán)熱網(wǎng)水泵復(fù)習(xí)思考題1蒸發(fā)和沸騰有何不同？何謂飽和狀態(tài)？過熱蒸汽的溫度是否一定很高？未飽和水的溫度是否一定低？有沒有20C的過熱蒸汽？給水泵進(jìn)口處水的溫度為160C,為防止水泵中水汽化，此處壓力最小應(yīng)維持多少？已知水蒸汽壓力P=0.5Mpa，比容v=0.35m

59、kg，問這是什么狀態(tài)？并求其它參數(shù)。當(dāng)水的溫度為t=80C，壓力分別為0.01MPa0.05MPa和0.1MPa時(shí)各處于什么狀態(tài)？并求出該狀態(tài)下的焓值。噴管有哪幾種截面形式？各有何特點(diǎn)？已知水蒸汽進(jìn)入縮放噴管時(shí)h=3249kJ/kg,出口焓h2=3164kJ/kg,則噴管的出口速度是多少？9.蒸汽的初、終參數(shù)對(duì)循環(huán)熱效率有何影響？提高初、終參數(shù)受到哪些限制？第四章傳熱學(xué)基本知識(shí)傳熱學(xué)是一門研究熱量傳遞規(guī)律的科學(xué)。傳熱可以分為三種基本形式，即熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射。導(dǎo)熱是指直接接觸的物體各部分間熱量傳遞的現(xiàn)象。對(duì)流是指流體各部分發(fā)生相對(duì)位移而引起的熱量轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。熱輻射是一種由物體表面直接向外界發(fā)

60、射可見和不可見射線，在空間傳遞能量的現(xiàn)象，在能量傳遞過程中伴隨有能量形式的變化，即熱能與輻射能之間的轉(zhuǎn)化。實(shí)際的傳熱過程往往不是以導(dǎo)熱、對(duì)流及熱輻射這三種基本方式中的任一種形式單獨(dú)出現(xiàn)的，而是這三種基本方式的復(fù)雜組合。不同的傳熱過程則是基本傳熱方式的不同組合。第一節(jié)傳熱的基本方式一、導(dǎo)熱基本概念熱量從物體中溫度較高的部分傳遞到溫度較低的部分，或者從溫度較高的物體傳遞到與之直接接觸的溫度較低的另一物體的過程，稱為導(dǎo)熱。單位時(shí)間內(nèi)的導(dǎo)熱量Q和熱流密度q(單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積所傳遞的熱量稱為熱流密度)的關(guān)系：Q/q=W/m2Ax1平壁的穩(wěn)定導(dǎo)熱如圖4-1單層平壁面積A,厚度，兩側(cè)溫度各為t和t，導(dǎo)